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El’gygytgyn: Ein ganz besonderer Meteoritenkrater
Webseite für das FWF Projekt: P21821-N19 "Studies of the El'gygytgyn Impact Crater"

Christian Köberl
(Universität Wien, Österreich; christian.koeberl@univie.ac.at)

Zusammenfassung

Der El’gygytgyn-See liegt in einem vor ca. 3,6 Mio Jahren durch einen Meteoriteneinschlag entstandenen Krater. Der Krater und der darin befindliche See sind aus zwei Gründen für die Forschung interessant: erstens handelt es sich um den einzigen bisher auf der Erde bekannten Meteoritenkrater in sauren vulkanischen Gesteinen, wo sich daher die Möglichkeit bietet, Impakteffekte an solchen Gesteinen zu untersuchen, was auch für die vergleichende Planetenforschung von grossem Interesse ist. Und zweitens stellen die mehr als 300 m mächtigen Seesedimente ein einzigartiges Archiv der bisher wenig bis gar nicht bekannten Klimageschichte in der Arktis während der letzten 3.6 Millionen Jahre dar. Die Auswertung der Daten wird zu einem besseren Verständnis von Ursache- Wirkungsbeziehungen für Klimaveränderungen beitragen und sind daher für Prognosen der zukünftigen Klimaentwicklung von großer Bedeutung.


Einführung

Einschläge ausserirdischer Körper (Kleinplaneten; Kometenkerne) auf der Erde zählen zu den spektakulärsten und energiereichsten geologischen Prozessen die wir kennen. Auf Grund von geologischen Untersuchungen, zusammen mit astronomischen Erkenntnissen, kann man die Häufigkeit und die Auswirkungen solcher Einschläge in der Erdgeschichte ableiten. Einschlagskrater dominieren die Oberflächen aller Körper im Sonnensystem, die eine feste Oberfläche aufweisen – mit Ausnahme der Erde, wo geologische Prozesse zu einer raschen Bedeckung oder Zerstörung der gebildeten Krater führen. Trotzdem sind auf der Erde bereits etwa 175 Einschlagskrater bekannt (Abb. 1).

Abb. 1: Beispiele von einfachen und komplexen Impaktkratern auf der Erde. Die Krater in der oberen Reihe, und jener in der Mitte rechts, sind einfache Krater, die anderen sind komplexe Krater. Jeweils von links nach rechts; Oben: (A) Tswaing (Saltpan)-Krater in Südafrika (1.2 km Durchmesser, 250,000 Jahre alt); (B) Wolfe Creek Krater in Australien (1 km Durchmesser, 1 Million Jahre alt); (C) Meteor Krater in Arizona, USA (1.2 km Durchmesser, 50,000 Jahre alt); Mitte: (D) Lonar Krater, Indien (1.8 km Durchmesser, Alter ca. 50,000 Jahre), (E) Mistastin Krater in Kanada (28 km Durchmesser, Alter ca. 38 Millionen Jahre), (F) Roter Kamm Krater in Namibien (2.5 km Durchmesser, Alter ca. 4 Millionen Jahre); Unten: (G) Clearwater-Doppelkrater in Kanada (24 und 32 km Durchmesser, Alter ca. 250 Millionen Jahre); (H) Gosses Bluff Krater in Australien (24 km Durchmesser, Alter 143 Millionen Jahre), und (I) Aorounga Krater im Tschad (18 km Durchmesser, Alter unbekannt aber jünger als ca. 300 Millionen Jahre).

Der Ursprung der einschlagenden Körper im Sonnensystem wurde auf Kleinplaneten und Kometen zurückgeführt. Ein typischer Meteoritenkrater wird sehr rasch gebildet (Abb. 2).

Abb. 2: Schematische Darstellung der Entstehung eines Impaktkraters, von links oben bis rechts unten. Ein extraterrestrischer Körper schlägt mit „kosmischer“ Geschwindigkeit (ca. 10-70 km/s) auf der Erde auf. Eine Schockwelle läuft halbkugelförmig in den Boden hinein, und gleichzeitig wird durch „jetting“ oberflächennahes Material mit hoher Geschwindigkeit ausgeschleudert, und das Projektil schmilzt bzw. verdampft. Danach läuft eine Entlastungs- oder Unterdruckwelle wieder zur Oberfläche zurück und führt zur eigentlichen Kraterbildung. Dabei wird Material aus dem Krater geschoben und einiges Material auch in grosse Höhen geschleudert. Am Ende rutscht der Kraterrand in den sogenannten transienten Krater hinein, und ausgeschleudertes Material fällt wieder zurück, was zur Bildung einer Kraterfüllung mit geschmolzenem Gestein und mit Brekzien führt; darunter ist der Kraterboden durch Risse zerbrochen. Die Hauptphase der Kraterbildung dauert nur wenige Minuten.

Abb. 3: Zusammenhang zwischen Einschlagshäufigkeit und Durchmesser des einschlagenden Körpers (dargestellt für die mittlere Dichte von Steinmeteoriten/Asteroiden bzw. Kometenkerne). Die Einschlagshäufigkeit ist in Form des mittleren Intervals in Jahren zwischen den einzelnen Ereignissen, sowie als kumulative Wahrscheinlichkeit pro Jahr, gegeben. Die Größe des kleinsten postulierten hypothetischen Körpers für einen Einschlag an der Perm-Trias-Grenze ist eingezeichnet – allerdings sind keine Anzeichen für die Existenz eines solchen Körpers bekannt.

Ein Asteroid schlägt mit hoher Geschwindigkeit (im Bereich von ca. 10-70 km/s) auf der Erde auf, eine Schockwelle läuft in den Boden und führt zu unumkehrbaren Änderungen im Targetgestein, gefolgt von einer Entlastungwelle, die zur Bildung des eigentlichen Kraters führt, bei gleichzeitgem Aufschmelzen des Targetgesteins. Dieser Prozess ist innerhalb weniger Minuten abgeschlossen; ausgehend von einem relativ kleinen „Impaktor“ (Meteorite, Asteroid) wird ein viel grösserer Krater gebildet (zB schlägt ein ca 1 km grosser Asteroid je nach Geschwindigkeit und Einschlagswinkel einen Krater von ca. 10-30 km Durchmesser).

Typische Einschläge können drastische Folgen für die Umwelt haben. Ein Beispiel wären die Ereignise an der Kreide-Tertiär-Grenze. Zu dieser Zeit, vor 65 Millionen Jahren, erfolgte der größte Einschlag eines ausserirdischen Körpers, der im Laufe der letzten hunderten Millionen Jahren auf der Erde nachweisbar ist, mit katastrophalen Auswirkungen auf die Biosphäre (Abb. 3). Bei anderen Massensterben in der Erdgeschichte (z.B. der Perm-Trias-Grenze, oder Trias-Jura Grenze) sind allerdings solche Einschläge nicht mit Sicherheit nachweisbar, und es gibt Anzeichen für verschiedene Mechanismen, die zu Massensterben führen können. Jedenfalls aber waren und sind Impakte auch auf der Erde von grosser biologischer und geologischer Bedeutung.

Häufigkeit und Erkennung von Einschlagskratern

Abb. 4: Mikroskopaufnahme eines geschockter Quarzkristalls, mit impakt-charakteristischen planaren Deformationselementen („Schocklamellen“) mit mehreren Orientierungen, in einer polymikten Impaktbrekzie innerhalb des El’gygytgyn-Kraters (Bildbreite 1 mm, plan-polarisiertes Licht). Das Vorhandensein solcher geschockten Minerale ist ein eindeutiger Beweis für die Entstehung einer Struktur durch einen Impaktprozess.

Trotz dem auf der Erde die Einschlagskrater relativ rasch durch Erosion und andere geologische Prozesse verschwinden oder zerstört werden, konnten bisher etwa 175 Impaktkrater bestätigt werden. Wie erkennt man Impaktkrater? Auf dem Mond und anderen atmosphärelosen Körpern ist dies recht einfach durch morphologische Charakteristika möglich. Auf der Erde gibt es noch andere geologische Prozesse, die kraterähnliche Gebilde erzeugen. Allerdings führt die Wechselwirkung zwischen der Schockwelle während des Einschlages und den Gesteinen zu ganz charakteristischen Mineralumwandlungen in Form von Hochdruckphasen und geschockten Mineralen (durch die Schock- oder Stosswellenmetamorphose; Abb. 4). Eine weitere Möglichkeit ist die Entdeckung einer geringen Beimengung von meteoritischem Material in Brekzien oder Schmelzgesteinen.

Die Häufigkeit der Bildung von Einschlagskratern hängt mit der Grösse des einschlagenden Körpers zusammen – es gilt die Faustregel „je grösser, desto seltener“. Einschläge kleiner Körper, die zB zur Bildung von Kratern mit ca. 1 km Durchmesser führen, kommen alle paar tausend Jahre einmal vor. Grössere Einschläge, die etwa zu Kratern von der Grösse von El’gygytgyn führen (18 km Durchmesser), kommen alle Million Jahre einmal vor, aber wirklich gewaltige Einschläge etwa von der Grösse jenes an der Kreide-Tertiär-Grenze (der zur Bildung des Chicxulub-Kraters mit 200 km Durchmesser geführt hat), erfolgen nur alle ca. 100 Millionen Jahre (Abb. 3).

Die Bedeutung des El’gygytgyn-Impaktkraters

Der El’gygytgyn-Krater (Abb. 5 und 6) ist vor etwa 3.5 Millionen Jahren durch einen Meteoriteneinschlag entstanden. Es handelt sich bei Lake El’gygytgyn um einen 3.6 Millionen Jahre alten Meteoritenkrater in der Arktis, der sowohl für die Impaktforschung als auch für paläoklimatische Forschungen höchst interessant ist, da für die Zeit, die dem Alter des Kraters entspricht, in der Gegend in der hohen Arktis kaum Klimadaten existieren (Abb. 7). Das Besondere an El’gygytgyn ist, dass der Asteroid ein vulkanisches Gebiet getroffen hat. Es ist der einzige uns auf der Erde bekannte Impaktkrater in sauren vulkanischen Gesteinen. Dadurch ist es möglich, zum ersten Mal die Schock-Charakteristika derartiger Gesteine zu untersuchen. Dass es sich bei El’gygytgyn um einem Impaktkrater handelt, wurde bereits in den späten 1970er Jahren durch Untersuchungen des Geologen Evgeniy Gurov aus Kiev und seinem Team durch das Vorhandensein geschockter Minerale (Abb. 4) und von Impaktgläsern (Abb. 8) bestätigt. Allerdings sind die Impaktgesteine an der Oberfläche fast völlig durch Erosion zerstört und verschwunden; daher wurde ein Tiefbohrungsprojekt erstellt, welches die einmalige Gelegenhei bietet, die Impaktgesteine „in situ“ zu finden und deren Abfolge untersuchen zu können. Aus diese Untersuchungen hofft man neben der genauen Studie der geschockten Vulkanite nicht nur die Natur des Asteroiden, der den Krater gebildet hat, ableiten zu können, sondern auch eine Aussage über die Energieverhältnisse beim Einschlag, und daher über die Auswirkungen des Einschlages auf die Umwelt, machen zu können.

Abb. 5: Satellitenbild des El’gygytgyn-Impaktkraters (NASA Aster Bild); das Bild zeigt den ca. 12 km durchmessenden El’gygytgyn-See, der etwas exzentrisch innerhalb des 18 km grossen Meteoritenkraters gelegen ist. Oben links ist eine Radaraufnehme zu sehen, auf welcher der Kraterrand deutlich markiert ist.

Abb. 6: Landsat-Satellitenbild des El’gygytgyn-Impaktkraters (NASA).

Abb. 7: Lage des El’gygytgyn-Kratersees im nordöstlichsten Teil von Sibirien (Chukotka-Halbinsel) relativ zur Arktis (Ausdehnung der Eisbedeckung im Sommer 2008). Die Untersuchung der Seesedimente im El’gygytgyn-See wird wertvolle Aufschlüsse über die Klimaentwicklung der Arktis während der letzten 3,5 Millionen Jahre geben (Bild: NASA).

Abb. 8: Mikroskopaufnahme eines Impaktglases vom El’gygytgyn-Krater, das deutlich die durch dasAufschmelzen entstandenen Verformungen des Ausgangsgesteins zeigt. Solche Gläser deuten auf Temperaturen von knapp 2000°C hin. (Bildbreite 1 mm, plan-polarisiertes Licht.)


Das ICDP-Tiefbohrprojekt im El’gygytgyn Impaktkrater


Im Laufe der letzten Jahre wurde der Krater daher das Objekt eines grossen internationalen und multidisziplinären Bohrprojektes. Die wissenschaftlichen Themen des Projektes kreisen vor allem um zwei zentrale Bereiche: 1) das Potential der Seesedimente als einzigartiges arktisches Klimaarchiv, und 2) die Untersuchungen des Impaktkraters, vor allem an den einzigartigen geschockten vulkanischen Gesteinen. Daher wurde 2005 ein Projektantrag beim International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) eingereicht, der auf Arbeiten seit Ender 1990er Jahre aufbaute. Die vier Projektleiter dieses grossen internationalen Projektes sind neben Prof. Christian Koeberl von der Universität Wien auch Prof. Julie Brigham-Grette (University of Massachusetts-Amherst, USA), Prof. Martin Melles (Universität Köln, Deutschland) und Dr. Pavel Minyuk (Russische Akademie der Wissenschaften, Magadan, Russische Föderation). Nach Jahren der Vorbereitung war es 2008 endlich soweit, Maschinen und Material für die Bohrungen zum Kratersee zu transportieren. Das Projekt war logistisch extrem komplex, da das Projektgebiet nur sehr schwer erreichbar ist – bis zum nächsten Flughafen in Pevek, das 9 Zeitzonen von Moskau entfernt ist, sind es etwa 300 km, ohne Strassen oder Wege. Mehrere hundert Tonnen Ausrüstung mussten entweder im Überland-Schneefahrzeugkonvoi oder mit dem Helikopter zum El’gygytgyn-See gebracht werden. Dadurch ergaben sich auch die enormen Kosten von etwa 10 Millionen US-Dollar für die Bohrung, wobei die ab jetzt mehrere Jahre dauernde wissenschaftliche Untersuchung der erhaltenen Bohrkerne noch nicht inkludiert ist. Die Bohrkosten werden hauptsächlich von ICDP, der US-amerkanischen National Science Foundation, und dem deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung getragen. Auch das Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung in Wien hat zu den Bohrkosten beigetragen. Die Auswertung der Impaktgesteins-Bohrkerne in Wien ist das Ziel des FWF-Projektes P21821-N19 (Projektleiter Prof. Dr. Christian Koeberl).

Das aufwendige und schwierige Bohrprojekt wurde Anfang Mai 2009 erfolgreich abgeschlossen. Es war ein langer und schwieriger Weg. Allein für die wissenschaftliche Planung, die Finanzierungsanträge, und die Beschaffung der nötigen Bewilligungen, wurden 8 Jahre benötigt. Die Komplexität des Projektes und die Schwierigkeit, das Forschungsgebiet zu erreichen erforderten eine umfangreiche technische und logistische Planung, die mehrfache Umplanungen und eine Erhöhung des Finanzbedarfs verursachten. So musste zB berechnet werden, ob die Tragfähigkeit der zugefrorenen Eisdecke über dem 170 Meter tiefen See für etwa 75 Tonnen schwere Bohrplattform, plus die verschiedenen Bulldozer und anderen Gefährte, ausreicht. Dabei stellte sich heraus, dass man die Eisdecke verstärken musste, was man durch pumpen von Seewasser an die Eisoberfläche erreichte, wo es dann auf Grund der niedrigen Temperaturen rasch erstarrte.

Nach dem Permafrost-Teil des Bohrprojektes Ende 2008  kamen im Jänner 2009 die ersten Techniker und Wissenschafter im Camp am Rand des zugefrorenen El’gygytgyn-Sees an. Bis alle Bauteile, Container, Geräte, und die Teile der Bohrplattform am See angekommen und zusammengebaut wurden, war es Ende Februar. Temperaturen von bis zu -30°C und Stürme bis 100 km/h (die dann zu „Wind-Chill“ Temperaturen von -50°C führten) erschwerten die Arbeiten. Auf Grund der Schneestürme hat sich der Bohrbeginn dann noch etwas verzögert, aber am 18. März 2009 war es dann soweit – die ersten Bohrkerne in die Seesedimente wurden an die Oberfläche gebracht. Technische Probleme führten dann zu einer Zwangspause, da einmal in 143 m und einmal 117 m unter dem Seeboden das Bohrgestänge durch hartes Gestein erst stecken geblieben und dann abgedreht wurde, und wesentliche Teile des Bohrgestänges dabei verloren gingen oder zerstört wurden. Nach der Beschaffung von Ersatzteilen wurde Anfang April vorsichtig weitergebohrt. Am 14. April 2009 war es dann soweit – bei einer Tiefe von ca. 312 m unter dem Seeboden (482 m Gesamttiefe) wurde der Übergang zwischen den Seesedimenten und den Impakt-Gesteinen – und damit der Zeitmarker von 3.6 Millionen Jahren – erreicht.

In der Planung waren drei Bohrungen vorgesehen (Abb. 9), wobei aber aus technischen und logistischen Gründen dann nur zwei davon verwirklicht werden konnten – die Permafrostbohrung und die tiefe Bohrung D1 im Zentrum des Sees. Tatsächlich wurden bei der Bohrung am Ort D1 unter den Seesedimenten die Impaktbrekzien erbohrt. Direkt unter den Seesedimenten befindet sich eine mehrere Dutzend Meter mächtige Schichte an sogenannten Sueviten (Abb. 10). Dies sind impaktglashältige Brekzien, die aus Trümmern verschiedener Gesteinsarten bestehen und mit einer feinkörnigen Matrix zementiert sind. Solche Gesteine kennt man auf der Erde nur von Meteoritenkratern. Unter diesen Sueviten fand sich zerrüttetes vulkanisches Grundgebirge, das während des Meteoriteneinschlages geschockt, zerbrochen, und hochgehoben wurde. Bei der Bildung des Zentralberges, der für einen Krater dieser Grösse auf der Erde typisch ist (man Krater mit Zentralbergen auch „komplexe“ Impaktkrater), federt tief liegendes Gestein sozusagen zur Oberfläche und erstarrt dann – ein Berg von meheren Kilometern Durchmesser hebt sich hier in weniger als einer Minute um mehr als einen Kilometer aus dem Boden. Mit den über 200 Metern Impaktbrekzien, die bei der Bohrung erhalten wurden, wird die genaue Untersuchung all dieser Prozesse, die beim Einschlag abgelaufen sind, möglich werden. Der Beginn der Untersuchungen erfolgt 2010 und wird mehrere Jahre dauern.

Abb. 9: Schematischer Querschnitt durch den El’gygytgyn-Krater (Bild: Univ. Köln), mit den Positionen der drei geplanten Bohrungen, wobei auf Grund technischer und logistischer Einschränkungen schlussendlich die Bohrungen D3 (Ende 2008) und D1 (Frühjahr 2009) erfolgreich niedergebracht wurden.

Abb. 10: Ein Stück Bohrkern von gerade abgeschlossenen Bohrprojekt am El’gygytgyn Impaktkrater. Es handelt sich um einen Suevit – das ist eine glasführende polymikte Impaktbrekzie (d.h. ein Gestein das aus Trümmern verschiedensten Gesteinsarten besteht, die mit einer feinkörnigen Matrix zementiert sind, und auch geringe Menge Impaktglas enthalten). Diese Probe stammt aus einer Tiefe von etwa 316 m unter dem Seeboden, ganz knapp unterhalb der nach dem Einschlag abgelagerten Seesedimente. Die glasigen Schmelzgesteine werden bei sehr hohen Temperaturen (über 2000°C) gebildet; man erkennt einen solchen grauen und blasigen Einschluß genau in der Mitte der Probe.
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